MEMBRANAS SEMIPERMEABLES

1. INTRODUCCIN Una membrana semipermeable permite el paso preferencial de ciertas sustancias presentes en una disolucin frente a otras. Este hecho las hace importantes tanto en sistemas biolgicos vivos como en aplicaciones tecnolgicas.La parte que ha atravesado la membrana se conoce como "permeado" y la que no lo hace es el "rechazo". En consecuencia, se produce una separacin diferencial de unas sustancias frente a otras. Para que el paso de sustancias a travs de la membrana se produzca, es necesario la existencia de una fuerza impulsora entre ambos lados de la membrana, la cual puede ser de diferente naturaleza: diferencia de presin, diferencia de concentracin, potencial elctrico, etc. Una vez establecido el flujo, el diferente grado de paso de unas sustancias respecto de otras se produce por criterios fsicos (tales como el tamao del poro) o qumicos (como la solubilidad y difusin en la membrana, etc.).En general, para llevar a cabo un proceso de separacin o concentracin, es necesario suministrar grandes cantidades de energa. Sin embargo, en los procesos de separacin llamados por membranas, la energa necesaria para llevar a cabo una separacin es pequea, por lo tanto, estos procesos han adquirido gran importancia en los ltimos aos. Ciertos componentes de una mezcla se puede separar en estos procesos utilizando una membrana porosa selectivo para el cruce de algunos de los componentes de la mezcla. Entre estos procesos, smosis inversa y ultrafiltracin, que lograr la separacin por una membrana semipermeable, debe ser sealado. La diferencia entre estos procesos es difcil de discernir, aunque en la membrana de smosis inversa generalmente retiene molculas de bajo peso molecular, mientras que en la ultrafiltracin, las molculas con pesos moleculares elevados se suele conservar. En la Fig. 1 muestra una clasificacin de los procesos de separacin de acuerdo con el tamao de la partcula retenida. FIG. 1Clasificacin de los Procesos de Membrana

Microfiltracin Ultrafiltracin Nanofiltracin Osmosis Inversa Agua Azucares Sales Partculas en Suspensin

Macromolculas

Estas membranas actan como una barrera selectiva, permitiendo que algunas especies (molculas, partculas, microorganismos), con ciertas caractersticas especficas las atraviesen, mientras que otras son rechazadas, Fig. 2, algunas de las caractersticas especficas son el tamao de las especies, la velocidad de difusin, la carga elctrica para realizar la operacin de separacin se requiere un potencial aplicado a travs de la membrana, que dependiendo del proceso y del producto podr ser de presin hidrulica, presin de vapor, voltaje, etc. Fig. 3.

FIG. 2Representacin Esquemtica de dos Medios separados por una Membrana

FIG. 3Caracterstica Operacin Potencial

2. DESCRIPCIN DE CADA OPERACIN

2.1. Microfiltracion.- El principio de la microfiltracin es la separacin fsica. Es el tamao de poro de la membrana lo que determina hasta qu punto son eliminados los slidos disueltos, la turbidez y los microorganismos. Las sustancias de mayor tamao que los poros de la membrana son retenidas totalmente. Las sustancias que son ms pequeas que los poros de la membrana son retenidas parcialmente, dependiendo de la construccin de una capa de rechazo en la membrana.

Aplicaciones de la Microfiltracin Esterilizacin por fro de bebidas y productos farmacuticos. Aclaramiento de zumos de frutas, vinos y cerveza. Separacin de bacterias del agua (tratamiento biolgico de aguas residuales).

2.2. Ultrafiltracin.- Para la eliminacin completa de los virus, se requiere la ultrafiltracin. Los poros de las membranas de ultrafiltracin pueden retirar de los fludos partculas de 0.001 0.1 m.

Aplicaciones de la Ultrafiltracin

La industria de productos lcteos (leche, queso) La industria alimentaria (protenas La industria del metal (separacin de emulsiones agua/aceite, tratamiento de pinturas) La industria textil.

2.3. Nanofiltracion.- La nanofiltracin es una tcnica que ha prosperado a lo largo de los ltimos aos. Hoy, la nanofiltracin es bsicamente aplicada en pasos de purificacin de agua potable, tales como ablandamiento del agua, decoloracin y eliminacin de micro contaminantes.

Durante los procesos industriales la nanofiltracin se aplica para la eliminacin de sustancias orgnicas, tales como agentes colorantes. La nanofiltracin es un proceso relacionado con la presin durante el cual ocurre una separacin basada en el tamao molecular. Las membranas producen la separacin. La tcnica es principalmente aplicada para la eliminacin de sustancias orgnicas, tales como microcontaminantes e iones multivalentes. Las membranas de nanofiltracin retienen moderadamente las sales univalentes. Aplicaciones de la Ultrafiltracin

La eliminacin de pesticidas de las aguas subterrneas La eliminacin de metales pesados de las aguas residuales Reciclaje de aguas residuales en lavanderas Ablandamiento del agua Eliminacin de nitratos 2.4. Osmosis Inversa.- La smosis inversa est basada en la bsqueda fundamental del equilibrio. Si dos fludos que contienen diferente concentracin de slidos disueltos son puestos en contacto, estos se mezclarn hasta que la concentracin se uniformice. Cuando estos dos fludos estn separados por una membrana semipermeable (que deja pasar el fludo y no los slidos disueltos), un fludo que contenga una menor concentracin se mover a travs de la membrana hacia el fludo que contenga una mayor concentracin de slidos disueltos. Despus de un tiempo el nivel de agua sera mayor a uno de los lados de la membrana. La diferencia en altura se denomina presin osmtica.

1 2 3Aplicando en la columna del fludo una presin superior a la presin osmtica, obtendremos el efecto inverso. Los fludos son presionados de vuelta a traves de la membrana, mientras que los slidos disueltos permanecen en la columna.Usando esta tcnica, se elimina la mayor parte del contenido en sales del agua.

1. El agua fluye desde una columna con bajo contenido en slidos disueltos a una columna con alto contenido en slidos disueltos.2. La presin osmtica es la presin necesaria para impedir que el agua fluya a travs de la membrana, con el objeto de obtener un equilibrio.3. Aplicando una presin superior a la presin osmtica, el agua fluir en sentido inverso; el agua fluye desde la columna con elevado contenido en slidos disueltos hacia la columna con bajo contenido en slidos disueltos.La smosis inversa es una tcnica que es bsicamente aplicada en la preparacin de agua potable. El proceso de la preparacin de agua potable a partir de agua de mar es comnmente conocido. Aparte de esto, la smosis inversa se aplica para la produccin de agua ultrapura y de agua de abastecimiento de calderas. Tambin se aplica en la industria de la alimentacin (concentracin de zumos de frutas, azcar y caf), en la industria de galvanizados (concentracin de aguas residuales) y en la industria lctea (concentracin de leche para la produccin de queso). Aplicaciones de la Osmosis Inversa Ablandamiento del agua Produccin de agua potable Produccin de agua procesada Produccin de agua ultrapura (industrias electrnicas) Concentracin de solventes moleculares en industrias alimentarias y lcteas3. VARIABLES QUE DEFINEN EL COMPORTAMIENTOEn todo el proceso de membrana, existen tres corrientes:3.1. Alimento.- Disolucin que se quiere tratar.3.2. Permeado.- Corriente que es capaz de pasar a travs de la membrana. Est constituido por el solvente y algunos solutos.3.3. Retenido o Concentrado.- Corriente que no ha pasado a travs de la membrana. Ha perdido parte de la disolucin del alimento y, por tanto, aumenta la concentracin de sustancias que no pueden atravesar la membrana.La corriente de inters del proceso puede ser el permeado, el retenido o ambos, dependiendo del objetivo de la separacin: - Concentracin. El componente deseado se encuentra en concentracin baja en la corriente del alimento y es el disolvente (permeado) el que se elimina con el fin de aumentar el componente que se quiere concentrar.- Purificacin. Las impurezas o los componentes no deseados se eliminan en la corriente de permeado o en el retenido.- Fraccionamiento. Cuando una mezcla se separa en dos o ms componentes deseados.Si el objetivo del proceso es concentrar, la corriente de inters es el retenido o concentrado. Si se quiere purificar, la corriente de inters es o bien el retenido o bien el permeado, segn cul contenga las impurezas que se quieren eliminar. Si se quiere hacer un fraccionamiento, las dos corrientes el retenido y el permeado a la vez pueden ser de inters.La separacin se realiza gracias a la facilidad que tiene la membrana de transportar un componente de las fases a travs de la membrana. El transporte a travs de la membrana se efecta por la accin de una fuerza impulsora. En el esquema siguiente, se representa el proceso general de separacin por membranas, en el que se distinguen las tres corrientes. El alimento es separado en una corriente ms concentrada o retenido y en una corriente menos concentrada o permeado.4. MODELOS CON MEMBRANAS ORGNICAS4.1. Planos.- Consisten en una serie de membranas dispuestas horizontal o verticalmente sobre separadores permeables, que actan como canales y conducen el flujo. Los separadores pueden ser de disco o de placa y marco. La relacin superficie/volumen normalmente es baja, comparada con la configuracin tubular, y depende de la forma y la eficacia del material utilizado como separador, pero oscila generalmente entre 100-300 m2/m3. No se aconseja para la desalinizacin del agua, a causa de la baja relacin S/V y las altas presiones que tendra que soportar (10-100 bar); sin embargo, es adecuada para la recuperacin y concentracin de productos de alto valor aadido, como protenas o vitaminas, en que estas limitaciones no son importantes.

SALIDA DE CONCENTRADOSALIDA DE CONCENTRADOSALIDA DE PERMEADOE N T R A D A D E L Q U I D Omembrana

Fig. 4 Mdulo plano de placas y marcos4.2. Tubulares.- Las membranas se encuentran en el interior de un soporte en forma de tubo de acero inoxidable o polister reforzado, de 10-40 mm de dimetro interior y de 0,5-3,5 m de longitud. Las membranas se colocan en paralelo o en serie dentro del mdulo. La disolucin que se quiere tratar entra a presin por un extremo del tubo y llega al final como corriente del retenido, mientras que el permeado pasa a travs de la membrana y es recogido en el exterior del mdulo. La velocidad de circulacin de la solucin es del orden de 6 m/s (rgimen turbulento). La relacin S/V es baja, entre 25-100 m2/m3, y exige ms superficie de instalacin y mayor coste de inversin y mantenimiento. Su configuracin es sencilla y se puede utilizar en MF, UF, dilisis y concentracin alimentaria por OI.

PERMEADO

ALIMENTACINMEMBRANACARCASARETENIDOProducto

Fig.5 Mdulo tubular 4.3. Cartucho en Espiral.- Las membranas en forma de lmina se colocan una sobre otra (de 4 a 10 lminas) y se enrollan sobre un eje central, y queda un cilindro que se coloca en el interior de un tubo o cartucho. La capa activa de la lmina se orienta hacia el exterior, de forma que el flujo de permeado va en direccin desde el exterior hacia el interior, y los solutos quedan retenidos en esta superficie activa. Una vez el permeao pasa a la capa activa, una malla porosa entre las lminas es la encargada de conducirlo hacia el interior del tubo o eje central. Entre las dos capas activas se coloca una malla sinttica, que conduce el alimento por toda la superficie de la membrana. Este conjunto o sandwich es sellado con el fin de no mezclar la corriente de permeado con otras corrientes. La corriente de alimentacin y la de concentrado son axiales en la direccin del eje central y paralelas a la superficie de la membrana para poder disminuir el fenmeno de polarizacin de concentracin.No representan un coste de inversin ni de mantenimiento elevado, ya que sus elementos de membrana se pueden recuperar y ser utilizados nuevamente para configurar nuevas membranas.

Fig.6 Mdulo de membrana en espiral4.4. De Fibra Hueca.- Formados por un haz de fibras huecas asimtricas, de dimetro interior de 40 m y dimetro exterior de 85 m, aproximadamente. Las fibras actan como autosoporte y resisten presiones elevadas. El haz consta de entre decenas y millones de fibras y se encuentra dentro de un distribuidor poroso que es sellado por los extremos donde se enlazan las fibras con una resina epoxi. La corriente de alimento se impulsa radialmente hacia el haz y el transporte se efecta por el interior de las fibras hacia el exterior, donde se recoge el permeado. Generalmente, se configuran en mdulos de polister reforzado, de hasta 1,2 m de longitud y de 10 a 25 cm de dimetro, y suelen ser muy compactos. Para reducir la polarizacin de concentracin se trabaja con flujo laminar.El factor de conversin es del 60%. No se pueden utilizar en la separacin de soluciones muy concentradas porque su superficie activa se podra bloquear en poco tiempo, lo cual reducira drsticamente la eficacia del proceso. Generalmente, requieren un pretratamiento riguroso. Su uso est decreciendo.

RESINA EPOXISOPORTE POROSOPERMEADOFIBRA HUECA

RESINA EPOXIDe< 200 micrn30 >Di< 100 micrnPELCULA DENSASOPORTE POROSO

Haz de fibras huecas

Fig.7 Caractersticas y configuracin de un mdulo de fibras huecas. (Di es el dimetro interior; De es el dimetro exterior)

Dentro de este tipo de mdulos existe una variante de membranas capilares, que presentan una configuracin similar a las de fibra vaca, pero sus dimensiones son mayores (relacin de dimetros de 0,5 a 5 mm). Su aplicacin es menos especfica que para fibra hueca y se utilizan en UF, NF y OI.

5. MODELOS CON MEMBRANAS INORGNICAS

Las configuraciones de las membranas inorgnicas suelen ser tubulares o multicanal, y estn colocadas en paralelo en mdulos de acero inoxidable. Los mdulos se componen de uno o varios elementos filtrantes. En casos concretos, se utilizan plsticos u otros materiales resistentes para construir los mdulos.

6. APLICACIONES DE LA TECNOLOGA DE MEMBRANAS SEMIPERMEABLES EN LA INDUSTRIA ALIMENTARIALa tecnologa de membranas ha sido objeto de un gran inters en los ltimos aos, gracias sobre todo a la industria qumica. sta dedica el 80% de su consumo energtico a procesos de separacin y concentracin de sustancias, lo cual ocasiona una gran demanda de tcnicas avanzadas en separacin, que sean limpias, respeten el medio ambiente y tengan gran ahorro energtico. El rango de aplicacin de las membranas en la industria es muy amplio, al igual que su nivel de ventas; asimismo, presentan todava una serie de problemas tcnicos y econmicos, que son motivo de estudio y de investigacin con la intencin de aumentar la efectividad de esta tecnologa.Actualmente, son muchos los problemas de separacin que se pueden solucionar con las membranas comercializadas en el mercado, como la concentracin y purificacin de disoluciones macromoleculares, la separacin de electrlitos y no electrlitos de bajo peso molecular de soluciones acuosas, el fraccionamiento econmico de la mezcla de gases, la separacin selectiva de iones metlicos pesados y la difusin controlada de componentes activos en el campo de la biomedicina y la biologa. La aplicacin de la tecnologa de membranas como proceso ha ido evolucionando a medida que se han desarrollado mejoras de las propiedades fsicas y qumicas de las membranas, mejoras en las aplicaciones y en la ingeniera de procesos y, por tanto, han resultado mejores tcnica y econmicamente que las otras tecnologas tradicionales. Existen, por tanto, tecnologas maduras y procesos bastante fiables industrialmente, como los procesos impulsados por diferencia de presin (MF, UF, NF, OI), y otros todava en va de estudio sin muchas aplicaciones comerciales, pero con un futuro posible (membranas de transporte activo o MTA y membranas acumuladoras de energa o MAE).Las principales aplicaciones de las membranas en procesos de separacin se encuentran en el sector qumico, en el tratamiento de aguas residuales o en la produccin de agua potable o agua de uso industrial. El proceso de OI es uno de los ms usuales a la hora de producir agua de calidad (ultrapura), incluso a partir de agua residual. Las membranas de ms aplicacin en la industria alimentaria son las de microfiltracin y ultrafiltracin, ya que pueden trabajar a altas temperaturas y garantizan una desinfeccin y esterilizacin perfectas de los sistemas en que se manipulan alimentos, a la vez que se mantienen sus cualidades organolpticas.

Durante el procesado de alimentos, existen diferentes etapas en que la aplicacin de la tecnologa de membranas puede ser de gran inters (Tabla 1.1).

Tabla 1.1. Etapas en que se aplican procesos de membrana en la industria alimentariaEtapa del procesoRazonesOportunidades

InicioCondicionamiento de la calidad del agua disponible o de los lquidos para procesarMejora de la calidadAhorro energtico

NcleoOptimizacin o sustitucin de las etapas del proceso para aumentar rendimientos tecnoeconmicosAhorro energticoMejora de la calidadReduccin del impacto ambiental

FinalPurificacin-concentracin de los productos finalesConservacin de alimentosTratamiento de efluentes para la reutilizacin o el vertidoMejora de la calidadReduccin del impacto ambiental o prevencin de la contaminacin

Tabla 1.2 Aplicaciones de procesos de membrana en la industria alimentaria(I)

Proceso/IndustriaAgua, leche, bebidasSeparacin/Aplicacin

Tratamiento de agua para el consumo humano- Potabilizacin de agua para el consumo humano (NF)- Desinfeccin, clarificacin y desmineralizacin del agua (MF, UF, NF)- Desalinizacin de aguas marinas (OI)

Tratamiento de agua de uso industrial- Clarificacin, desinfeccin y esterilizacin de aguas residuales

Produccin de agua de calidad- Agua ultrapura para la industria electrnica (OI)- Agua de refrigeracin para torres de enfriamiento, condensadores e intercambiadores de calor (OI)- Agua para calderas y para el lavado de gases (OI)

Industria lctea- Concentracin de leche, por eliminacin de agua, sales minerales y lactosa (UF, OI)- Produccin de fermentos lcticos con la eliminacin de los inhibidores del crecimiento celular y concentracin de la biomasa hasta los niveles del producto comercial- Extraccin y concentracin de protenas del suero adecuadas para las industrias cosmtica o farmacutica como emulsionante (UF, OI)

Industria lctea: elaboracin de quesos- Estandarizacin de leche para aportarle el contenido proteico adecuado (UF)

Industrias de fermentacin- Clarificacin y estabilizacin de mosto y vino (UF)- Clarificacin y esterilizacin de cerveza (UF, MF)- Purificacin de molculas activas y microorganismos en proceso de fermentacin (UF)- Concentracin de vino para acelerar la precipitacin tartrica (OI)- Eliminacin de tartratos en vino ( MF)- Desalcoholizacin de vino y cerveza (OI)

Bebidas- Clarificacin y esterilizacin de zumos de fruta despus de la prensa, suprimiendo as las etapas convencionales siguientes de filtracin.- Preconcentracin de zumos (OI)- Recuperacin de colorantes y aromas de las aguas residuales- Ajuste de la acidez de zumos

Tabla 1.2. Aplicaciones de procesos de membrana en la industria alimentaria (II)

Proceso/IndustriaOtras industrias alimentariasSeparacin/Aplicacin

Procesado de carne y pescado- Tratamiento de purines. Separacin de la biomasa (UF)- Tratamiento de sangre. Preconcentracin del suero sanguneo (UF,OI)- Concentracin de protenas en la fabricacin de gelatinas- Concentracin-recuperacin de protenas de la salmorra residual del curado de carnes y pescados- Concentracin-recuperacin de protenas de las aguas de lavado de carnes y pescados- Eliminacin de pelos y piel de animales en el agua residual

Procesado de frutas y hortalizas- Biorreactores con membrana para la conversin de residuos de patata- Recuperacin de protenas vegetales- Recuperacin de productos del procesado- Recuperacin de productos y subproductos de aguas de lavado (azcares, aceites esenciales, protenas)

Procesado de huevos- Concentracin de albmina de huevo hasta valores del 40% de extracto seco- Deshidratacin parcial antes del secado (UF)

Procesado de azcar

- Desmineralizacin de melazas- Recuperacin de azcar de las aguas de lavado antes de la etapa de evaporacin-concentracin- Preconcentracin de jarabe (OI)- Clarificacin de los primeros extractos de remolacha (UF)- Concentracin de disoluciones diluidas de remolacha

Procesado de aceites y grasas- Preparacin de protenas vegetales- Recuperacin de aceites de agua de lavado- Recuperacin de disolventes- Refinacin de aceites comestibles (ajuste de la acidez, decoloracin)

Como se ha podido observar en la Tabla 1.2, la industria lctea es una de las industrias principales en que se aplica la separacin por membranas. Se utiliza la OI para concentrar la leche antes de la evaporacin y la fabricacin de quesos. El factor de concentracin est limitado por la precipitacin del fosfato de calcio. En la concentracin del suero obtenido en el procesado de la leche, se puede utilizar la OI para separar protenas, lactosa y sales, y as reducir el coste de transporte, mientras que la UF se puede utilizar para el fraccionamiento y producir un concentrado de protenas de gran valor. La UF tambin se utiliza para la concentracin de protenas de la leche y para la normalizacin proteica de leche destinada a la produccin de quesos, yogures y otros productos lcteos. La NF se utiliza para la desalinizacin parcial del suero y la MF se aplica para la reduccin del nmero de bacterias en la leche desnatada y el suero, as como para reducir el contenido en grasa del suero destinado a la produccin de concentrados proteicos. En estas aplicaciones, las pequeas molculas, como las sales o la lactosa, pasan a travs de la membrana de ultraflitracin, mientras que las protenas quedan retenidas en el concentrado.Los zumos de fruta se concentran desde el contenido original de azcar del 10-16% hasta un 60% para el transporte y almacenamiento. Esta concentracin se puede realizar con OI, que reduce el consumo energtico y mejora la calidad organolptica del zumo, y con otras tcnicas convencionales, como la evaporacin que, sin embargo, presenta la limitacin del bajo rango de concentracin que se alcanza (un 24%).Para la obtencin de azcar de caa o remolacha hay que realizar una clarificacin del zumo para eliminar las partculas coloidales y en suspensin, lo que puede hacerse por ultrafiltracin. Tambin se aplica OI para la preconcentracin del jarabe.En la clarificacin del vino, existen varias etapas de filtracin, desde el desbaste hasta la esterilizacin, que pueden ser sustituidas por una etapa de microfiltracin. Tambin se puede utilizar la OI para concentrar el vino y acelerar el proceso de precipitacin tartrica, o para obtener vino y cerveza con bajo contenido de alcohol. La microfiltracin se utiliza normalmente para esterilizar la cerveza en fro.En los mataderos, el residuo principal que se obtiene es la sangre, que se puede recuperar, separar y purificar mediante membranas de UF. La gelatina en polvo animal, rica en protenas coloidales y formadas a partir de la hidrlisis del colgeno, se puede obtener por ultrafiltracin, con lo que se obtienen mejores resultados que con la evaporacin y el secado tradicionales. 7. VENTAJAS Y DESVENTAJAS